分佈式ID生成器

時間 2019-12-22

原文原文鏈接

在高併發或者分表分庫狀況下怎麼保證數據id的冪等性呢？java

常常用到的解決方案有如下幾種：

　　1. 微軟公司通用惟一識別碼（UUID）
　　2. Twitter公司雪花算法（SnowFlake）
　　3. 基於數據庫的id自增
　　4. 對id進行緩算法

本文將對snowflake算法進行講解：

　　1. snowflake是Twitter開源的分佈式ID生成算法，結果是一個long型的ID。
　　2. 其核心思想是：使用41bit做爲毫秒數，10bit做爲機器的ID（5個bit是數據中心，5個bit的機器ID），12bit做爲毫秒內的流水號，最後還有一個符號位，永遠是0。數據庫

snowflake算法所生成的ID結構:

　　1. 整個結構是64位，因此咱們在Java中可使用long來進行存儲。
　　2. 該算法實現基本就是二進制操做,單機每秒內理論上最多能夠生成1024*(2^12)，也就是409.6萬個ID(1024 X 4096 = 4194304)安全

64位說明：併發

　　1. 0 - 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0 - 00000 - 00000 - 000000000000框架

　　2. 1位標識，因爲long基本類型在Java中是帶符號的，最高位是符號位，正數是0，負數是1，因此id通常是正數，最高位是0less

　　3. 41位時間截(毫秒級)，注意，41位時間截不是存儲當前時間的時間截，而是存儲時間截的差值（當前時間截 - 開始時間截) 獲得的值）。dom

　　　這裏的的開始時間截，通常是咱們的id生成器開始使用的時間，由咱們程序來指定的（以下下面程序IdWorker類的startTime屬性）。分佈式

　　　41位的時間截，可使用69年，年T = (1L << 41) / (1000L * 60 * 60 * 24 * 365) = 69ide

　　4. 10位的數據機器位，能夠部署在1024個節點，包括5位datacenterId和5位workerId

　　5. 12位序列，毫秒內的計數，12位的計數順序號支持每一個節點每毫秒(同一機器，同一時間截)產生4096個ID序號加起來恰好64位，爲一個Long型。

SnowFlake的優勢:

　　1. 總體上按照時間自增排序，而且整個分佈式系統內不會產生ID碰撞(由數據中心ID和機器ID做區分)，而且效率較高，經測試，SnowFlake每秒可以產生26萬ID左右。

　　2. 生成ID時不依賴於DB，徹底在內存生成，高性能高可用。

　　3. ID呈趨勢遞增，後續插入索引樹的時候性能較好。

SnowFlake算法的缺點：

　　依賴於系統時鐘的一致性。若是某臺機器的系統時鐘回撥，有可能形成ID衝突，或者ID亂序

算法代碼以下：

  1 /**
  2  * 功能描述：SnowFlake算法
  3  * @author PanHu Sun
  4  * @Date 2019/12/1 18:47
  5  */
  6 public class SnowflakeIdWorker {
  7     // ==============================Fields==================
  8     /** 開始時間截 (2019-08-06) */
  9     private final long twepoch = 1565020800000L;
 10 
 11     /** 機器id所佔的位數 */
 12     private final long workerIdBits = 5L;
 13 
 14     /** 數據標識id所佔的位數 */
 15     private final long datacenterIdBits = 5L;
 16 
 17     /** 支持的最大機器id，結果是31 (這個移位算法能夠很快的計算出幾位二進制數所能表示的最大十進制數) */
 18     private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
 19 
 20     /** 支持的最大數據標識id，結果是31 */
 21     private final long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
 22 
 23     /** 序列在id中佔的位數 */
 24     private final long sequenceBits = 12L;
 25 
 26     /** 機器ID向左移12位 */
 27     private final long workerIdShift = sequenceBits;
 28 
 29     /** 數據標識id向左移17位(12+5) */
 30     private final long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
 31 
 32     /** 時間截向左移22位(5+5+12) */
 33     private final long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
 34 
 35     /** 生成序列的掩碼，這裏爲4095 (0b111111111111=0xfff=4095) */
 36     private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
 37 
 38     /** 工做機器ID(0~31) */
 39     private long workerId;
 40 
 41     /** 數據中心ID(0~31) */
 42     private long datacenterId;
 43 
 44     /** 毫秒內序列(0~4095) */
 45     private long sequence = 0L;
 46 
 47     /** 上次生成ID的時間截 */
 48     private long lastTimestamp = -1L;
 49 
 50     //==============================Constructors====================
 51     /**
 52      * 構造函數
 53      * @param workerId 工做ID (0~31)
 54      * @param datacenterId 數據中心ID (0~31)
 55      */
 56     public SnowflakeIdWorker(long workerId, long datacenterId) {
 57         if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
 58             throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
 59         }
 60         if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {
 61             throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId));
 62         }
 63         this.workerId = workerId;
 64         this.datacenterId = datacenterId;
 65     }
 66 
 67     // ==============================Methods=================================
 68     /**
 69      * 得到下一個ID (該方法是線程安全的)
 70      * @return SnowflakeId
 71      */
 72     public synchronized long nextId() {
 73         long timestamp = timeGen();
 74 
 75         //若是當前時間小於上一次ID生成的時間戳，說明系統時鐘回退過這個時候應當拋出異常
 76         if (timestamp < lastTimestamp) {
 77             throw new RuntimeException(
 78                 String.format("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));
 79         }
 80 
 81         //若是是同一時間生成的，則進行毫秒內序列
 82         if (lastTimestamp == timestamp) {
 83             sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
 84             //毫秒內序列溢出
 85             if (sequence == 0) {
 86                 //阻塞到下一個毫秒,得到新的時間戳
 87                 timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
 88             }
 89         }
 90         //時間戳改變，毫秒內序列重置
 91         else {
 92             sequence = 0L;
 93         }
 94 
 95         //上次生成ID的時間截
 96         lastTimestamp = timestamp;
 97 
 98         //移位並經過或運算拼到一塊兒組成64位的ID
 99         return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) //
100             | (datacenterId << datacenterIdShift) //
101             | (workerId << workerIdShift) //
102             | sequence;
103     }
104 
105     /**
106      * 阻塞到下一個毫秒，直到得到新的時間戳
107      * @param lastTimestamp 上次生成ID的時間截
108      * @return 當前時間戳
109      */
110     protected long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
111         long timestamp = timeGen();
112         while (timestamp <= lastTimestamp) {
113             timestamp = timeGen();
114         }
115         return timestamp;
116     }
117 
118     /**
119      * 返回以毫秒爲單位的當前時間
120      * @return 當前時間(毫秒)
121      */
122     protected long timeGen() {
123         return System.currentTimeMillis();
124     }
125 
126     //==============================Test=============================================
127     /** 測試 */
128     public static void main(String[] args) {
129         SnowflakeIdWorker idWorker = new SnowflakeIdWorker(0, 0);
130         for (int i = 0; i < 1000; i++) {
131             long id = idWorker.nextId();
132             System.out.println(Long.toBinaryString(id));
133             System.out.println(id);
134         }
135     }
136 }

View Code

快速使用snowflake算法只需如下幾步：

1. 引入hutool依賴

1 <dependency>
2     <groupId>cn.hutool</groupId>
3     <artifactId>hutool-captcha</artifactId>
4     <version>5.0.6</version>
5 </dependency>

View Code

2. ID 生成器

  1 import cn.hutool.core.date.DatePattern;
  2 import cn.hutool.core.lang.ObjectId;
  3 import cn.hutool.core.lang.Snowflake;
  4 import cn.hutool.core.net.NetUtil;
  5 import cn.hutool.core.util.IdUtil;
  6 import cn.hutool.core.util.RandomUtil;
  7 import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
  8 import org.joda.time.DateTime;
  9 
 10 import javax.annotation.PostConstruct;
 11 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 12 import java.util.concurrent.Executors;
 13 
 14 /**
 15  * 功能描述：
 16  * @author PanHu Sun
 17  * @Date 2019/12/1 18:50
 18  */
 19 @Slf4j
 20 public class IdGenerator {
 21 
 22     private long workerId = 0;
 23 
 24     @PostConstruct
 25     void init() {
 26         try {
 27             workerId = NetUtil.ipv4ToLong(NetUtil.getLocalhostStr());
 28             log.info("當前機器 workerId: {}", workerId);
 29         } catch (Exception e) {
 30             log.warn("獲取機器 ID 失敗", e);
 31             workerId = NetUtil.getLocalhost().hashCode();
 32             log.info("當前機器 workerId: {}", workerId);
 33         }
 34     }
 35 
 36     /**
 37      * 獲取一個批次號，形如 2019071015301361000101237
 38      * 數據庫使用 char(25) 存儲
 39      * @param tenantId 租戶ID，5 位
 40      * @param module 業務模塊ID，2 位
 41      * @return 返回批次號
 42      */
 43     public static synchronized String batchId(int tenantId, int module) {
 44         String prefix = DateTime.now().toString(DatePattern.PURE_DATETIME_MS_PATTERN);
 45         return prefix + tenantId + module + RandomUtil.randomNumbers(3);
 46     }
 47 
 48     @Deprecated
 49     public synchronized String getBatchId(int tenantId, int module) {
 50         return batchId(tenantId, module);
 51     }
 52 
 53     /**
 54      * 生成的是不帶-的字符串，相似於：b17f24ff026d40949c85a24f4f375d42
 55      * @return
 56      */
 57     public static String simpleUUID() {
 58         return IdUtil.simpleUUID();
 59     }
 60 
 61     /**
 62      * 生成的UUID是帶-的字符串，相似於：a5c8a5e8-df2b-4706-bea4-08d0939410e3
 63      * @return
 64      */
 65     public static String randomUUID() {
 66         return IdUtil.randomUUID();
 67     }
 68 
 69     private Snowflake snowflake = IdUtil.createSnowflake(workerId, 1);
 70 
 71     public synchronized long snowflakeId() {
 72         return snowflake.nextId();
 73     }
 74 
 75     public synchronized long snowflakeId(long workerId, long dataCenterId) {
 76         Snowflake snowflake = IdUtil.createSnowflake(workerId, dataCenterId);
 77         return snowflake.nextId();
 78     }
 79 
 80     /**
 81      * 生成相似：5b9e306a4df4f8c54a39fb0c
 82      * ObjectId 是 MongoDB 數據庫的一種惟一 ID 生成策略，
 83      * 是 UUID version1 的變種，詳細介紹可見：服務化框架－分佈式 Unique ID 的生成方法一覽。
 84      * @return
 85      */
 86     public static String objectId() {
 87         return ObjectId.next();
 88     }
 89 
 90 
 91 
 92 
 93     //   測試
 94     public static void main(String[] args) {
 95         // 還會有重複的
 96         // for (int i = 0; i < 100; i++) {
 97         //     String batchId = batchId(1001, 100);
 98         //     log.info("批次號: {}", batchId);
 99         // }
100 
101         // UUID 不帶 -
102         // for (int i = 0; i < 100; i++) {
103         //     String simpleUUID = simpleUUID();
104         //     log.info("simpleUUID: {}", simpleUUID);
105         // }
106 
107         // UUID 帶 -
108         // for (int i = 0; i < 100; i++) {
109         //     String randomUUID = randomUUID();
110         //     log.info("randomUUID: {}", randomUUID);
111         // }
112 
113         // 沒有重複
114         // for (int i = 0; i < 100; i++) {
115         //     String objectId = objectId();
116         //     log.info("objectId: {}", objectId);
117         // }
118 
119         ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);
120         IdGenerator idGenerator = new IdGenerator();
121         for (int i = 0; i < 100; i++) {
122             executorService.execute(() -> {
123                 log.info("分佈式 ID: {}", idGenerator.snowflakeId());
124             });
125         }
126         executorService.shutdown();
127     }
128 }

View Code

3. 測試類

 1 public class IdGeneratorTest {
 2     @Autowired
 3     private IdGenerator idGenerator;
 4 
 5     @Test
 6     public void testBatchId() {
 7         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 8             String batchId = idGenerator.batchId(1001, 100);
 9             log.info("批次號: {}", batchId);
10         }
11     }
12 
13     @Test
14     public void testSimpleUUID() {
15         for (int i = 0; i < 100; i++) {
16             String simpleUUID = idGenerator.simpleUUID();
17             log.info("simpleUUID: {}", simpleUUID);
18         }
19     }
20 
21     @Test
22     public void testRandomUUID() {
23         for (int i = 0; i < 100; i++) {
24             String randomUUID = idGenerator.randomUUID();
25             log.info("randomUUID: {}", randomUUID);
26         }
27     }
28 
29     @Test
30     public void testObjectID() {
31         for (int i = 0; i < 100; i++) {
32             String objectId = idGenerator.objectId();
33             log.info("objectId: {}", objectId);
34         }
35     }
36 
37     @Test
38     public void testSnowflakeId() {
39         ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);
40         for (int i = 0; i < 20; i++) {
41             executorService.execute(() -> {
42                 log.info("分佈式 ID: {}", idGenerator.snowflakeId());
43             });
44         }
45         executorService.shutdown();
46     }
47 }